摘要：在AC-DC SMPS應(yīng)用中，通常會(huì)在輸入級(jí)使用功率橋式整流器,，將交流電壓轉(zhuǎn)換為單向的直流電壓,。在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，還會(huì)使用大容量電容器作為紋波濾波器,，來(lái)穩(wěn)定總線(xiàn)電壓，這會(huì)導(dǎo)致功率因數(shù)性能較差,，并將諧波污染反饋到電網(wǎng),。為了改善功率因數(shù)和諧波電流，通常需要使用PFC電路,。但額外增加一個(gè)功率級(jí)意味著會(huì)降低系統(tǒng)效率和可靠性,。在本文中，我們提出了一種基于單電感結(jié)構(gòu)的單級(jí)AC-DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),，具備PFC和LLC功能,。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)保留了傳統(tǒng)LLC諧振轉(zhuǎn)換器的零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS）優(yōu)勢(shì)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高功率因數(shù)性能,。

　　關(guān)鍵詞： 單級(jí)轉(zhuǎn)換器,、AC-DC、功率因數(shù),、LLC

　　1.背景

　　在AC-DC SMPS應(yīng)用中,，橋式整流器被用于將交流輸入轉(zhuǎn)換為直流總線(xiàn)電壓，并為第二級(jí)的隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器供電,。其中,，電流與輸入電壓的不匹配會(huì)給電網(wǎng)帶來(lái)大量的諧波反饋。因此,，電子儀器在接入電網(wǎng)時(shí),，需要遵循相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的功率因數(shù)規(guī)范和諧波限制。為了解決這些問(wèn)題,，在大多數(shù)AC-DC應(yīng)用中,，通常會(huì)使用功率因數(shù)校正技術(shù)。

　　2.單級(jí)AC-DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　在本文中,，我們提出了一種整合了PFC功能的單電感結(jié)構(gòu)LLC諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),，如圖1所示,。這個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由升壓電路和半橋LLC電路組成，二者使用同一對(duì)開(kāi)關(guān)MOS Q1和Q2,。L1是升壓電路的主電感,。當(dāng)升壓電路的MOSFET Q1和Q2開(kāi)始交替開(kāi)關(guān)時(shí)，L1可以平滑輸入電流,、減少相位失配,、提高PF值，同時(shí)實(shí)現(xiàn)LLC諧振轉(zhuǎn)換,。一次側(cè)的Q1,、Q2均可在ZVS模式下工作，二次側(cè)SR MOS可以在ZCS（零電流開(kāi)關(guān)）模式下工作,。這可以有效地提高整個(gè)系統(tǒng)的效率,。

　　圖1 具有高功率因數(shù)的單級(jí)AC-DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　1.工作原理與狀態(tài)分析

　　在一個(gè)完整的開(kāi)關(guān)周期中，我們可以將這個(gè)單極AC-DC轉(zhuǎn)換器分為8個(gè)工作狀態(tài)（包括死區(qū)時(shí)間）,。為加深理解，我們將逐個(gè)分析這些工作狀態(tài),。

　　圖2：工作狀態(tài)1（t0-t1）

　　狀態(tài)1（t0-t1）：如圖2所示,，藍(lán)框圈出的部分不參與該工作狀態(tài)，彩色箭頭表示電流的流動(dòng)方向,，其中,，紅色為PFC，綠色為L(zhǎng)LC,。在狀態(tài)1中,，Q1和Q2關(guān)斷，L1處于放電模式,，連續(xù)的電感電流流經(jīng)Qd1的體二極管,、儲(chǔ)能電容C3，然后流經(jīng)D6和C2回到L1,。同時(shí),，在LLC諧振回路中，電流從諧振回路的上端流過(guò)Qd1和C3,，回到諧振回路的另一端,。在二次側(cè)，D7 導(dǎo)通,，為輸出電容器C4充電并為負(fù)載供電,。由于體二極管Qd1在導(dǎo)通模式下工作，Q1的VDS被限制在體二極管正向電壓,，在此周期結(jié)束時(shí),，Q1準(zhǔn)備導(dǎo)通,， ZVS實(shí)現(xiàn)。

　　圖3：工作狀態(tài)1（t1-t2）

　　狀態(tài)2（t1-t2）：如圖3所示,，在這個(gè)工作狀態(tài)中,，Q1切換到導(dǎo)通狀態(tài)，L1繼續(xù)放電,，電感電流流經(jīng)Q1,、C3、D6和C2,，然后回到L1,。電容器C3仍處于充電模式。在LLC電路中,，諧振回路繼續(xù)放電,，直至耗盡，此時(shí)電流仍從Lr和Cr流出,，來(lái)對(duì)C3充電（如圖3a所示）,。充電電流降到0后，耗盡的諧振網(wǎng)絡(luò)將得到升壓電感的短時(shí)間充電,，電流變成反向（如圖3b所示）,。在整個(gè)工作狀態(tài)2中，變壓器磁感Lm的極性保持在正極接地,。在二次側(cè),，D7保持導(dǎo)通，并為輸出負(fù)載供電,。

　　圖4：工作狀態(tài)3（t2-t3）

　　工作狀態(tài)3（t2-t3）：如圖4所示,，L1完全放電，C3變成放電模式,，為整個(gè)系統(tǒng)供電,。電容器C1放電電流流經(jīng)Q1，為L(zhǎng)1充電,，并通過(guò)D5循環(huán)回來(lái),。C3的放電電流還經(jīng)過(guò)諧振網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)變壓器傳輸電能,，一次側(cè)繞組的極性仍然保持為上面為正極,，而二次側(cè)繞組電流繼續(xù)流經(jīng)D7，為輸出負(fù)載供電,。

　　圖5：工作狀態(tài)4（t3-t4）

　　工作狀態(tài)4（t3-t4）：如圖5所示,，t3期間，諧振電流等于勵(lì)磁電感Lm中的勵(lì)磁電流，不再有電流流向變壓器的一次側(cè)繞組,，電能傳輸結(jié)束,，二次側(cè)的二極管D7在ZCS 模式中自然關(guān)閉，正半周功率傳輸完成,。輸出電容C4開(kāi)始放電,，并保持恒定的輸出功率。L1仍由輸入電壓充電,，直至 Q1 關(guān)斷,，充電電流在C1、D5,、Q1和L1之間循環(huán)（如圖 5a 所示）,。一旦Q1關(guān)斷，Q2的Coss開(kāi)始放電,，并參與諧振,。在t4期間，Q2的Coss完全放電,，VDS降至0,，ZVS導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)。

　　圖6：工作狀態(tài)5（t4-t5）

　　工作狀態(tài)5（t4-t5）：如圖6所示,，Q2的Coss完全放電后,，ZVS在t4期間導(dǎo)通。L1開(kāi)始放電并為系統(tǒng)供電,，電感電流流經(jīng)C1、D5,、C3,、Q2，然后循環(huán)回來(lái),。Cr對(duì)Lr持續(xù)充電,，Lm在退磁模式下工作，T1的一次側(cè)繞組的極性變成下正上負(fù),，整流器D8變成正向,，電能通過(guò)D8傳輸?shù)截?fù)載。

　　圖7：工作狀態(tài)6（t5-t6）

　　工作狀態(tài)6（t5-t6）：如圖7所示,，在此期間,，L1放電回路與狀態(tài)5相同，不同之處在于諧振回路電流方向相反,，Lr開(kāi)始對(duì)Cr充電,，Lm反向磁化。T1的一次側(cè)繞組的極性仍為下正上負(fù)，D8保持導(dǎo)通,，二次側(cè)電流流過(guò)D8,，為C4和負(fù)載供電。

　　圖8：工作狀態(tài)7（t6-t7）

　　工作狀態(tài)7（t6-t7）：如圖8所示,，此時(shí)Q1處于關(guān)斷狀態(tài),，Q2處于導(dǎo)通狀態(tài)。L1存儲(chǔ)的電能完全耗盡,，電感器開(kāi)始由輸入電壓源通過(guò)C2充電,。充電電流在C2、L1,、Q2,、D6之間循環(huán)流動(dòng)。D5自然切斷,。在LLC 諧振回路中,，一次側(cè)繞組的極性為下正上負(fù)，電能輸送到二次側(cè),，同時(shí)電流通過(guò) D8 流向負(fù)載,。

　　圖9：工作狀態(tài)8（t7-t8）

　　工作狀態(tài)8（t7-t8）：如圖9所示，L1充電回路不變,。 在t7期間,，諧振電流等于 Lm 磁感應(yīng)電流，沒(méi)有電能通過(guò) T1 傳輸,。在 ZCS 模式下,，二次側(cè)的D8關(guān)閉。輸出電容器C4開(kāi)始放電,，并為負(fù)載供電,。

　　在上述操作狀態(tài)的描述中，我們沒(méi)有單獨(dú)分析死區(qū)時(shí)間,。實(shí)際上,，當(dāng)兩個(gè)開(kāi)關(guān)都關(guān)斷時(shí)，電感器 L1的電流將通過(guò)MOS體二極管繼續(xù)流動(dòng),，并對(duì) MOSFET 電容器放電,，從而實(shí)現(xiàn)ZVS。諧振回路的工作模式與LLC 相同,，此處不做過(guò)多描述,。

　　整個(gè)拓?fù)涔ぷ黜樞蛉鐖D10所示，周期從t0開(kāi)始,，到t8結(jié)束,，分為8個(gè)工作狀態(tài)。死區(qū)時(shí)間的工作策略與傳統(tǒng)LLC相同，易于理解,。在t0之前,，Q1的VDS已降至0，因此當(dāng)Q1在t0導(dǎo)通時(shí),， ZVS實(shí)現(xiàn),，然后一次側(cè)諧振電流上升，并伴隨整個(gè)諧振周期,。

　　圖10 工作順序圖

　　1.仿真與驗(yàn)證

　　1.1仿真

　　為了驗(yàn)證單級(jí)AC-DC轉(zhuǎn)換器的操作和控制原理,，我們使用SIMetrix軟件進(jìn)行了專(zhuān)業(yè)仿真。示意圖如圖11所示,。

　　圖11 仿真示意圖

　　該示意圖包括橋式整流器D1-D4,、濾波電容C1和C2、續(xù)流二極管D5和D6,、開(kāi)關(guān)MOS Q1和Q2,、大容量電容C3、諧振電容Cr,、諧振電感Lr以及二次側(cè)整流二極管D7和D8,。仿真參數(shù)如下表1所示，其中,，主要元件的參數(shù)為：C1,、C2 330nF、L1 50uH,、Lr 120uH,、Cr 22nF、Lm 380uH,，變壓器匝數(shù)比為8.5:1,。仿真結(jié)果和波形如下所示。

　　表1：仿真參數(shù)

　　圖12：PFC 輸入電流 vs 輸入電壓

　　圖12提供了交流輸入電壓與交流輸入電流的對(duì)比波形,。圖13顯示了放大后的電感器電流和輸入電壓。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)理想地實(shí)現(xiàn)了PFC功能,。DCM工作策略使得該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更適合有PFC功能需求的中小功率AC-DC SMPS應(yīng)用,。

　　圖13：IL和AC 輸入的波形（放大后）

　　圖14：Q2 ZVS導(dǎo)通波形

　　圖15：Q1 ZVS導(dǎo)通波形

　　Q1和Q2的ZVS導(dǎo)通特性如圖14和15所示，當(dāng)MOS的VDS諧振達(dá)到0時(shí),，柵極導(dǎo)通,，ZVS實(shí)現(xiàn)，ZVS的行為與 LLC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類(lèi)似,。

　　1.1演示功能驗(yàn)證

　　為了驗(yàn)證該工作原理在實(shí)際案例中的有效性,，我們構(gòu)建了一個(gè)基于300w LLC演示板的高功率因數(shù)單級(jí)AC-DC轉(zhuǎn)換器。它的規(guī)格如下：輸入電壓180Vac，輸出功率12V/25A,，諧振電容Cr 66nF,，諧振電感Lr 54uH，變壓器磁感690uH,，匝數(shù)比16.5:1,。

　　在演示中，我們測(cè)量了交流輸入電壓和電流,，測(cè)量結(jié)果均與仿真結(jié)果相符,，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的PFC功能。諧振回路可以在一次側(cè)實(shí)現(xiàn)ZVS導(dǎo)通,，在二次側(cè)實(shí)現(xiàn)SR二極管ZSC關(guān)斷,。電能傳輸至二次側(cè)，不會(huì)與LLC功能產(chǎn)生任何沖突,。此外,，諧波電流也得到了很好的匹配。

　　2.總結(jié)

　　本文研究了一種具有PFC功能拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的單級(jí) AC-DC 轉(zhuǎn)換器,。與傳統(tǒng)的兩級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比,，即經(jīng)典的PFC+LLC，這種新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將兩個(gè)電路結(jié)合在一起,，并在半橋結(jié)構(gòu)中共用一對(duì) MOS,，這有利于降低物料清單（BOM）成本和提高功率密度。由于該拓?fù)渲挥幸粋€(gè)功率電感在DCM模式下工作,，因此更適合需要高功率因數(shù)的中小型功率SMPS應(yīng)用,，例如：LED照明、快速充電器等,。

　　參考文獻(xiàn)

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